专利名称：一种窄光谱高功率半导体激光器面阵的制备方法
一种窄光谱高功率半导体激光器面阵的制备方法技术领域
本发明属于半导体激光器制造领域，涉及一种窄光谱高功率半导体激光器面阵的制备方法。
背景技术：
高功率半导体激光器由于具有体积小、重量轻、电光转换效率高、寿命长、可靠性高等优点，在工业加工、军事国防、医疗、科研等诸多领域获得了越来越为广泛的应用。目前半导体激光器发展的方向是进一步提高功率及亮度。功率扩展方法主要是将多个半导体激光器巴条进行串联，制备成叠阵；然后再将多个叠阵阵并联，制备成面阵。目前的面阵半导体激光器输出功率可以做到百千瓦的量级。
半导体激光器面阵在很多应用中，例如固体激光器泵浦等，需要较窄的光谱宽度，但是半导体激光器面阵由几十个甚至上百个巴条组成，各巴条的光谱中心波长不一致，因此最终面阵总的光谱会有明显的展宽。目前已有的研究中大多集中于半导体激光器巴条的光谱窄化。近年来国内外已经有一些关于大功率半导体激光器阵列的光谱展宽机理的研究，导致半导体激光器阵列光谱展宽主要有下述原因:(Xingsheng Liu等，Proceedingsof58th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), pp.1005-1010, 2008.)
(I)构成半导体激光器阵列芯片的各个发光点成分或结构不均匀，导致各发光点的波长不一致，从而使光谱发生一定程度的展宽。
(2)高功率半导体激光器的热效应导致各发光点温度不一致，根据半导体激光器的波长随温度变化关系(波长随温度变化速率通常为0.3-0.4nm/K)，各发光点的中心波长发生变化，因此导致光谱展宽。热效应导致光谱展宽具体可以分两种情况:(a)理想情况下贴片层不存在空洞时，大功率半导体激光器阵列工作过程中会散发出大量的热，半导体激光器中心区域的发光点和边缘区域的发光点温度不一致，从而导致各发光点中心波长不相同，光谱发生展宽；(b)在半导体激光器封装过程中贴片层不可避免地会产生很小的空洞，在工作过程中由于电流过大，焊料容易发生电迁移及电热迁移。较大的空洞会使半导体激光器阵列发光点附近的局部温度显著升高，导致局部发光点的波长红移，因此总的光谱发生展宽。
(3)封装过程中产生的应力不均匀导致光谱展宽。为了得到较高的转换效率和较高的连续波功率，激光器阵列通常使用电导率和热导率好的铜作为热沉。由于半导体激光器和铜热沉的热膨胀系数(CTE)不匹配，这会在封装之后在激光器二极管阵列上不可避免地产生应力。研究发现，由于应力不均匀导致的激光器阵列波长漂移可达7meV，最终导致激光器阵列的光谱展宽。
由于组成面阵的各个巴条光谱不一致，最终面阵的光谱会发生明显的展宽。因此为了解决这一问题，需要通过优化面阵结构设计，达到制备窄光谱半导体激光器面阵的效果O发明内容
本发明的目的在于提供一种窄光谱高功率半导体激光器面阵的制备方法，具有制作工艺简单、成本低的优点。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的:
一种窄光谱高功率半导体激光器面阵的制备方法，所述半导体激光器面阵由多个半导体激光器巴条在同一平面上形成，各个巴条通过串联或并联的方式进行电连接；采用以下步骤制成:
依据半导体激光器面阵的制冷方式对半导体激光器面阵进行模拟及实验，得出组成面阵的各个巴条的温度分布情况；
然后测量各个巴条的光谱，得出各个巴条的中心波长；
将中心波长较大的巴条置于面阵温度较低的区域，将中心波长较小的巴条置于面阵温度较高的区域，使巴条波长与区域温度相匹配；
组装面阵，达到组成面阵的巴条波长一致输出，即为窄光谱高功率半导体激光器面阵。
本发明具有以下有益效果:
1.本发明工艺较为简单，成本低。
2.本发明具有很好的光谱窄化效果，利用本发明方法制备的半导体激光器面阵光谱宽度能够降低30%以上。
图1为用本发明方法制备的某一窄光谱高功率半导体激光器面阵的各巴条的温度分布图；横坐标为组成面阵的各巴条的编号，纵坐标为温度值。
图2为本发明技术方案示意图3为按照传统工艺制备得到的面阵的光谱分布示意图4为按照本发明工艺制备得到的面阵的光谱分布示意图5为实施例一的面阵结构示意图6为实施例一的光谱测试结果；
图7为实施例二的面阵结构示意图8为实施例二的光谱测试结果。
具体实施方式
本发明是首先通过模拟及实验得到组成面阵的各个巴条的温度分布情况；然后测量各个巴条的光谱，得到各个巴条的中心波长；由于半导体激光器巴条的中心波长会随温度升高发生红移，温度降低发生蓝移，在组装面阵时将中心波长较大的巴条组装在温度较低的区域，将中心波长较小的巴条组装在温度较高的区域。最终使各个巴条的中心波长趋向一致，从而使总的光谱宽度窄化。
下面结合附图和实施例详细叙述本发明的技术方案。如图1及图2所示，本发明技术方案包括如下步骤:
1.模拟出组成面阵的各巴条的温度分布情况，可以看出位于面阵中间区域的巴条温度较高，位于面阵边缘区域的巴条温度较低；
2.根据各个巴条的光谱测试结果，将中心波长较小的巴条置于面阵中间区域，将中心波长较大的巴条置于面阵边缘区域，从而使温度和巴条波长相匹配。
3.组装面阵，达到组成面阵的巴条波长一致输出。
如图3和图4所示，采用传统方法，由于各个巴条的光谱分布较宽，最终不能实现理想的窄光谱；而采用本发明技术方案，将中心波长较大的巴条和中心波长较小的巴条与散热结构相结合，使得面阵结构的光谱宽度相对于传统技术方案的面阵大大减小。
实施例一:
如图5及图6所示，利用本发明技术方案制备了 5X4传导冷却型面阵半导体激光器，其光谱半高全宽FWHM (Fu11 width at half maximum)仅有2.8nm，90%能量光谱宽度仅5.49nm。
实施例二:
如图7及图8所示，利用本发明技术方案制备了由3*34个巴条组成的940nm峰值功率20kW面阵半导体激光器，其光谱半高全宽FWHM为4.02nm,90%能量宽度为5.51nm。
从上述实施例可以看出，本发明简单、实用，取得了很好的窄化高功率半导体激光器面阵光谱宽度的效果，巧妙地解决了现有技术一直以来存在的难题。
权利要求
1.一种窄光谱高功率半导体激光器面阵的制备方法，所述半导体激光器面阵由多个半导体激光器巴条在同一平面上形成，各个巴条通过串联、并联或串并联结合的方式进行电连接；采用以下步骤制成: 依据半导体激光器面阵的制冷方式对半导体激光器面阵进行模拟及实验，得出组成面阵的各个巴条的温度分布情况； 然后测量各个巴条的光谱，得出各个巴条的中心波长； 将中心波长较大的巴条置于面阵温度较低的区域，将中心波长较小的巴条置于面阵温度较高的区域，使巴条波长与区域温度相匹配； 组装面阵，达到组成面阵的巴条波长一致输出，即为窄光谱高功率半导体激光器面阵。
全文摘要
本发明涉及一种窄光谱高功率半导体激光器面阵的制备方法。采用以下步骤制成依据半导体激光器面阵的制冷方式对半导体激光器面阵进行模拟及实验，得出组成面阵的各个巴条的温度分布情况，然后测量各个巴条的光谱，得出各个巴条的中心波长，中心波长较大的巴条置于面阵温度较低的区域，将中心波长较小的巴条置于面阵温度较高的区域，使巴条波长与区域温度相匹配，装面阵，达到组成面阵的巴条波长一致输出，即为窄光谱高功率半导体激光器面阵。该发明具有很好的光谱窄化效果，利用本发明方法制备的半导体激光器面阵光谱宽度能够降低30%以上。
文档编号H01S5/024GK103138159SQ201210591298
公开日2013年6月5日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者刘兴胜, 康利军, 吴迪, 王警卫, 戴晔 申请人:西安炬光科技有限公司